30.12.2023

Seit vielen Jahren schon absolvieren Schülerinnen und Schüler am MLZ Praktika und werfen dabei mit eigener Forschung einen ersten Blick in den Maschinenraum der Wissenschaft. Dieses Jahr konnten zwei Physik-interessierte Praktikantinnen eine Woche lang die Farbentstehung schillernder Opale im Materials Science Labor untersuchen.

Betrachtet man einen Opal genauer und dreht ihn dabei etwas in der Hand, so lässt sich ein faszinierendes Phänomen beobachten: Das Mineral offenbart im Licht ein schillerndes Spiel unterschiedlicher Farben. Das Schillern schließt einen mineralischen Farbstoff aus, wie kann dieser Effekt also entstehen? Dieser Frage haben sich Rahel Stiehler aus Großhelfendorf (Landkreis München) und Anna Keppler aus Vagen (Landkreis Rosenheim) angenommen.

Struktur macht die Farben
„Der Mechanismus der schillernden Farben im Opal ist der gleiche, wie der für das Farbspiel auf dem Panzer eines Rosenkäfers“, erklärt Rahel Stiehler und deutet mit ihrem Zeigefinger auf ein kleines durchsichtiges Plastikdöschen, in dem ein grün schillernder Käfer liegt. Neben ihr steht Anna Keppler und ergänzt: „Die Farben entstehen durch die Struktur, nicht durch irgendwelche Farbstoffe.“ Sie setzen sich ans Elektronenmikroskop des Jülich Centre for Neutron Science (JCNS) am MLZ.

Bereits nach einem Tag steuern die beiden routiniert das den Raum dominierende Gerät, um die die Oberfläche eines Opals zu untersuchen. Auf dem Bildschirm erscheint ein gleichmäßiges Muster aus kleinen Kügelchen. Die Anzeige verrät eine 50.000-fache Vergrößerung.

Von der Schule direkt in die Forschung?
Wenn man jetzt aber denkt, die beiden wären Wissenschaftlerinnen am FRM II, so stimmt das (noch?) nicht. Anna und Rahel sind Schülerinnen in einer 10. Klasse des Gymnasiums Bruckmühl, die ein einwöchiges Praktikum am Materials Science Lab des Heinz Maier-Leibnitz Zentrums (MLZ) in Garching absolvieren durften.

Die Begeisterung für Physik ist nicht neu und am Forschungscampus Garching kennen die beiden sich auch schon aus. In der Schule besuchen sie den Physik Plus-Kurs, mit dem sie schon Ausflüge zu den Max-Planck-Instituten für Plasmaphysik und Quantenoptik sowie dem European Southern Observatory unternommen haben.

Collage reduced Eine Reise aus der sichtbaren Welt ins Mikroskopische. Der Panzer des Rosenkäfers (oben) erhält sein Funkeln durch gleichmäßig angeordnete Stege, die seine Oberfläche überziehen (50.000-fache Vergrößerung). Der Opal aus Australien (unten) besteht aus dicht gepackten, natürlichen Glaskügelchen (20.000-fache Vergrößerung).

Eine Reise aus der sichtbaren Welt ins Mikroskopische. Der Panzer des Rosenkäfers (oben) erhält sein Funkeln durch gleichmäßig angeordnete Stege, die seine Oberfläche überziehen (50.000-fache Vergrößerung). Der Opal aus Australien (unten) besteht aus dicht gepackten, natürlichen Glaskügelchen (20.000-fache Vergrößerung).

Gut betreut durch erfahrenen Wissenschaftler
Am MLZ werden die Schülerinnen von Armin Kriele vom Helmholtz-Zentrum Hereon betreut, der über die Jahre schon zahlreiche Praktikant:innen in seinem Labor hatte. „Man merkt, dass Anna und Rahel sehr motiviert sind und schon ein bisschen Vorwissen haben. Das macht es auch für mich einfacher“, sagt Kriele.

Vor Praktikumsstart schickte Armin Kriele den Praktikantinnen schülergerechtes, aber ausführliches Schulungsmaterial, in dem er die Funktionsweise des Elektronenmikroskops und die wissenschaftliche Ausgangssituation erklärte – schwere Lektüre also. Aber anders als viele Physikstudierende vor ihren Laborpraktika lasen die Schülerinnen das Material sogar.

Hartes Pensum
Was gut ist, denn Armin Kriele erwartet viel von seinen Praktikantinnen: „Das ist schon ein hartes Pensum. In der Schule muss man wahrscheinlich nicht so lange durchgehend konzentriert sein.“
Es sei aber wichtig, jeden Arbeitsschritt bewusst durchzuführen, die Ergebnisse gut zu dokumentieren und dann als „Reality Check“ mit Erkenntnissen aus der Literatur zu vergleichen – gute wissenschaftliche Praxis eben. „Die beiden sollen lernen, wie man wissenschaftlich arbeitet und keine Scheu vor komplexen wissenschaftlichen Geräten haben“, schildert Armin Kriele seine Zielsetzung.

Das Labor war für Rahel und Anna dennoch eine neue Umgebung. „Ich dachte nicht, dass wir alleine ein so teures Gerät bedienen dürfen“, verrät Anna und lacht. „Selbst, welches das richtige Klebeband zum Festkleben von Proben ist, ist eigentlich schon eine Wissenschaft für sich.“

Img 9717-foto1 reduced Armin Kriele (r.) bietet seit einigen Jahren Praktika für interessierte Schülerinnen und Schüler an, hier am Rasterelektronenmikroskop des Materials Science Lab. © FRM II / TUM

Armin Kriele (r.) bietet seit einigen Jahren Praktika für interessierte Schülerinnen und Schüler an, hier am Rasterelektronenmikroskop des Materials Science Lab. © FRM II / TUM

Natürliches Farbenspiel
Anna und Rahel haben festgestellt, dass Opale aus vielen kleinen Siliziumdioxidkügelchen (SiO2) – also farblosem Glas – bestehen. An den im Opal farbig schillernden Bereichen sind diese Kügelchen gleich groß, eng und regelmäßig angeordnet. Sie bilden also ein großes Kristallgitter. Vielfarbiges Licht wird an diesem Gitter unter einem unterschiedlichen Winkel reflektiert und gestreut, weshalb die Opale so schillern. Die milchigen Bereiche hingegen zeigen eine deutlich ungeordnetere Struktur der Kügelchen. Das ist die Erklärung hinter trüben Milchopalen.

Opale selbst hergestellt
Die Praktikantinnen prüften ihre Hypothesen, indem sie sowohl handelsübliche als auch selbst hergestellte künstliche Opale analysierten. Sie trugen eine Suspension aus SiO2-Kügelchen auf einen Objektträger auf und ließen diese 24 Stunden trocknen. Hier war unter dem Mikroskop eine geordnete Kristallstruktur erkennbar.

Anna und Rahel fassen ihre Ergebnisse zusammen: „Die Größe und Anordnung dieser Strukturen sowie der Lichteinfall bestimmen die Farbwirkung. Die Entstehung der regelmäßigen Anordnung von Opalkügelchen in der Natur ist aber noch unklar.“

„Mehr gelernt als in der Schule“
Ein paar Fragen bleiben also noch, aber vielleicht können Anna und Rahel ja eines Tages helfen, diese zu beantworten? Das Praktikum hat ihre Tendenz zu einem naturwissenschaftlichen Studium jedenfalls schon mal bestärkt: „Wir haben so viel gelernt, definitiv mehr als in der Schule.“

Auch Armin Kriele zeigt sich sehr zufrieden. „Anna und Rahel haben mich teilweise mit ihren detaillierten Fragen schon ein bisschen herausgefordert.“
Auf die Frage nach dem abschließenden Urteil nach dem Praktikum im Materials Science Labor sind sich die Praktikantinnen einig: „Ich kann gar nicht in Worte fassen, wie toll es war.“